2010年3月24日
科学技術振興機構（JST）
神戸大学
立教大学
国立医薬品食品衛生研究所
日本電気株式会社
みずほ情報総研株式会社
東京大学生産技術研究所
海洋研究開発機構

JST目的基礎研究事業の一環として、神戸大学 大学院工学研究科の田中 成典 教授と立教大学 理学部の望月祐志准教授らの研究チームは、インフルエンザウイルスの巨大な表面たんぱく質が抗体や阻害剤と結合する際の電子状態を精密に計算することに成功し、インフルエンザウイルスの感染・変異メカニズムや医薬品設計に関わる分子間相互作用の詳細を明らかにしました。これはヘマグルチニン（HA）^(*1）たんぱく質三量体とその抗体、ノイラミニダーゼ（NA）^(*2）たんぱく質とその阻害剤との結合系に対する量子力学的な第一原理分子軌道計算^(*3）を海洋研究開発機構のスーパーコンピューター「地球シミュレータ」で高速かつ高精度に実行した成果で、将来のパンデミック対策にも役立つ可能性があります。

インフルエンザの感染プロセスには、ウイルス表面にあるヘマグルチニンたんぱく質三量体と宿主側の糖鎖または抗体との相互作用が重要だと知られています。また、宿主細胞に感染したウイルスが増殖後、離脱する際にノイラミニダーゼたんぱく質が重要な働きを演じます。これらの機能を分子レベルで定量的に解析することができれば、インフルエンザ研究を加速できると考えられますが、従来はこれら生体高分子の相互作用を高精度で理論的に解析することは困難でした。

本研究チームは、まずヘマグルチニン三量体と免疫抗体との結合系の立体構造を用いて、巨大たんぱく質複合体の中でどのアミノ酸残基同士が強く相互作用しているかを明らかにしました。この研究では、フラグメント分子軌道（FMO）法^(*4）と呼ばれる巨大生体分子系に有効な高速並列計算手法を使って分散力^(*5）などの効果も適切に取り入れた電子状態計算を行いました。また、ノイラミニダーゼたんぱく質とその阻害剤との結合系に対しても、摂動論的な手法による高精度の第一原理計算を実行しました。その際、地球シミュレータのベクトルアーキテクチャの特性を考慮し、並列化の手法などに工夫を凝らして高速化を進めたハイブリッド並列計算を実現しました。

その結果、全ての計算を数時間で完了し、ヘマグルチニンたんぱく質の各アミノ酸を抗体がどのように認識しているか、またノイラミニダーゼたんぱく質の各アミノ酸とタミフルなどの阻害剤がどのように相互作用しているかなどの問題を定量的に明らかにすることが可能となりました。ヘマグルチニン抗原抗体系の計算は、生体高分子に対する電子相関^(*6）を取り入れた第一原理分子軌道計算としては世界最大規模（2351残基、36160原子）です。

今回の成果は、今まで解析が困難であった巨大生体分子複合体の高精度第一原理分子軌道計算を短時間で系統的に行うシミュレーション技術の基盤を築くとともに、インフルエンザウイルスの変異予測や医薬品開発といった重要な課題にスーパーコンピューターを用いて合理的にアプローチする実用的な道を開くものです。

本研究は、みずほ情報総研株式会社の福澤 薫 チーフコンサルタント、国立医薬品食品衛生研究所の中野 達也 室長らと共同で、また、日本電気株式会社、東京大学生産技術研究所と連携して行われました。本研究成果は2010年3月28日（日）に「日本化学会第90春季年会」（会場:近畿大学本部キャンパス（東大阪市））で発表されます。

本研究の詳細については、こちらをご覧ください。
フラグメント分子軌道法による生体分子計算システムの開発
https://www.mizuho-ir.co.jp/publication/report/2010/fmo_report.html